張超，羅伯良，彭莉莉，謝傲，李易芝

(湖南省氣象科學(xué)研究所 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410118)

引言

區(qū)域持續(xù)性暴雨是致災(zāi)能力極強(qiáng)的極端氣象事件，容易誘發(fā)洪澇和滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，并帶來嚴(yán)重的國民經(jīng)濟(jì)損失，一直以來備受社會(huì)各界關(guān)注，更是氣象工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。湖南地處亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，汛期暴雨頻發(fā)，每年的4—8月是區(qū)域暴雨發(fā)生的相對(duì)集中期，約占全年區(qū)域暴雨的88%(戴澤軍等，2015)。湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨過程平均每年出現(xiàn)2 次，最長(zhǎng)持續(xù)日數(shù)為5 d，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，區(qū)域持續(xù)性暴雨過程發(fā)生次數(shù)出現(xiàn)了氣候上的突變，由之前的1.4 次/年增加至2.8 次/年(戴澤軍等，2019)，極端事件的增加造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失的加劇，防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)更為嚴(yán)峻。如：2016年7月1—5日湖南出現(xiàn)了一次罕見的持續(xù)性暴雨過程，該過程是湖南有氣象記錄以來強(qiáng)度最大、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的暴雨天氣過程，有6個(gè)區(qū)域自動(dòng)站降水量超過500 mm，15個(gè)區(qū)域自動(dòng)站降水量超過400 mm，資水、沅水部分干支流和洞庭湖區(qū)水位全線超警，據(jù)湖南省民政廳統(tǒng)計(jì)，此次暴雨過程造成湖南省10市(州)62個(gè)縣(市、區(qū))496.4 萬人受災(zāi)，11 人死亡，1 人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失79.7億元(周慧等，2018)。

關(guān)于持續(xù)性暴雨，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的研究工作。一系列研究表明，異常的大氣環(huán)流穩(wěn)定維持，造成冷暖空氣持續(xù)交綏于某一地區(qū)是持續(xù)性暴雨發(fā)生的主要原因(陶詩言，1980；Ding and Reiter，1982；Lau and Kim，2011)。大尺度環(huán)流條件制約暴雨的發(fā)生發(fā)展，在長(zhǎng)波系統(tǒng)較穩(wěn)定期，天氣尺度和中尺度系統(tǒng)在同一地區(qū)出現(xiàn)或沿同一路徑移動(dòng)，以致造成持續(xù)性暴雨(丁一匯，1994)。夏季，中國南方在持續(xù)性暴雨發(fā)生期間，500 hPa高度場(chǎng)上在中高緯度常常伴隨阻塞高壓的異常維持(Wang et al.，2000；Ding and Chan，2005；王曉芳等，2011)，阻塞高壓的存在使得中高緯度的經(jīng)向環(huán)流得以發(fā)展和維持，有利于中高緯度的干冷空氣向南不斷侵入到中國南方地區(qū)。池艷珍等(2005)指出，持續(xù)性暴雨由于時(shí)空尺度相對(duì)較大而對(duì)大尺度環(huán)流更具依賴性，故對(duì)它的研究須注意到與它相關(guān)的大尺度環(huán)流的特征。由上可見，大尺度持續(xù)性環(huán)流分析是持續(xù)性暴雨研究的重要方面(林愛蘭等，2015)。

部分學(xué)者針對(duì)湖南持續(xù)性暴雨進(jìn)行了相關(guān)研究。程庚福等(1987)通過對(duì)湖南雨季暴雨的統(tǒng)計(jì)研究，提出湖南暴雨過程的環(huán)流形勢(shì)主要包括經(jīng)向型、緯向型和環(huán)流調(diào)整型三種。周慧等(2013)通過對(duì)湖南376 次大暴雨天氣過程高低空環(huán)流形勢(shì)特征分析，建立了5 類天氣學(xué)分型。彭莉莉等(2018)分析了湖南汛期發(fā)生區(qū)域持續(xù)性暴雨典型環(huán)流型特征，歸納出區(qū)域持續(xù)性暴雨典型環(huán)流型有兩槽一脊、兩槽兩脊、兩脊一槽、緯向波動(dòng)、臺(tái)風(fēng)低壓和多渦旋型6類。在對(duì)區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流分型研究中，首要問題就是如何對(duì)區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流型進(jìn)行客觀識(shí)別，這在現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)客觀監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中顯得尤為重要。目前，多元線性回歸、集合統(tǒng)計(jì)、動(dòng)力-統(tǒng)計(jì)相結(jié)合等的預(yù)報(bào)方法(高守亭等，2013；李武階等，2018)常常用于暴雨客觀預(yù)報(bào)中，在持續(xù)性暴雨的預(yù)報(bào)上，更多地依賴于概念模型的主觀識(shí)別(鮑名，2007；吳麗姬等，2007；鄒海波等，2013；徐明等，2016)。也有一些學(xué)者基于持續(xù)性暴雨主觀分型，結(jié)合要素、物理量場(chǎng)配料建立了持續(xù)性暴雨客觀預(yù)報(bào)方法(劉國忠等，2013；王艷蘭等，2013)，這類方法的客觀預(yù)報(bào)指標(biāo)更側(cè)重從暴雨發(fā)生的熱力和動(dòng)力條件的角度來定義，在暴雨的持續(xù)性的影響因子上考慮不足，隨著現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力顯著提高，如何全面、客觀、定量地表征預(yù)報(bào)概念模型是值得探討研究的科學(xué)問題。6月是湖南汛期區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生最多月份(戴澤軍等，2019)，且由于氣候背景場(chǎng)各月有所變化，持續(xù)性暴雨的環(huán)流異常特征也隨月份有所變化(林愛蘭等，2013)，因此本文以湖南6月區(qū)域持續(xù)性暴雨為研究對(duì)象，基于湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨典型環(huán)流的6 種類型(彭莉莉等，2018)，采用異常度方法對(duì)中高緯度環(huán)流型進(jìn)行客觀識(shí)別，結(jié)合發(fā)生區(qū)域持續(xù)性暴雨區(qū)域動(dòng)力上升條件和水汽輸送條件，尋找湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生信號(hào)并進(jìn)行量化表征，從而建立湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生的定量化概念模型。

1 資料與方法

本文使用的資料有1961—2016年MCEP/MCAR再分析資料的高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、比濕場(chǎng)，其水平分辨率為2.5°×2.5°。湖南1961—2016年6月區(qū)域持續(xù)性暴雨取自彭莉莉等(2018)定義給出的43 次過程，即兩槽一脊14 次、兩槽兩脊3 次、兩脊一槽21 次、緯向波動(dòng)3次和多渦旋型2 次。

考慮到氣象要素在不同的地方、不同的季節(jié)其本身的變化率不一樣，為了便于統(tǒng)一比較，采用標(biāo)準(zhǔn)化的異常度(杜鈞等，2014)，簡(jiǎn)寫為SA(Standardized Anomaly)，即將某氣象要素的觀測(cè)值與氣候平均值的差值用氣候標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化

其中，標(biāo)準(zhǔn)化的異常度是空間點(diǎn)x和時(shí)間t的函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化異常度SA(x，t)就用該要素的觀測(cè)值OBS(x，t)和實(shí)際大氣的氣候平均MEAN_clim(x，t)和氣候標(biāo)準(zhǔn)差SD_clim(x，t)即用公式(1)計(jì)算。當(dāng)SA＞0時(shí)定義為異常高值系統(tǒng)，當(dāng)SA＜0時(shí)定義為異常低值系統(tǒng)。

2 區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa 歐亞中高緯環(huán)流型的客觀判別

持續(xù)性暴雨的發(fā)生往往對(duì)應(yīng)著長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的大尺度環(huán)流異常。為了確定6月各類區(qū)域持續(xù)性暴雨中高緯環(huán)流型的判別指標(biāo)，首先對(duì)各類區(qū)域持續(xù)性暴雨中高緯環(huán)流型個(gè)例位勢(shì)高度的異常度場(chǎng)進(jìn)行合成分析，然后劃定環(huán)流異常關(guān)鍵區(qū)，最后確定各類區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生環(huán)流型臨界指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流型的客觀識(shí)別。

2.1 區(qū)域持續(xù)性暴雨與兩槽一脊環(huán)流型

圖1a 是兩槽一脊環(huán)流型區(qū)域持續(xù)性暴雨過程500 hPa位勢(shì)高度的異常度場(chǎng)合成圖。由圖可見，區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生時(shí)，西太平洋副高加強(qiáng)西伸，自太平洋中部西伸至中南半島東部。烏拉爾山地區(qū)為一低槽，貝加爾湖及以西為阻塞高壓或者高壓脊，其東側(cè)東亞地區(qū)為一深槽，且南伸至湖南，東亞深槽后部的偏北風(fēng)攜帶的干冷空氣源源不斷地向南侵入南方，與南方來的暖濕空氣持續(xù)交綏，穩(wěn)定的對(duì)峙導(dǎo)致持續(xù)性暴雨發(fā)生。兩槽一脊區(qū)域位勢(shì)高度異常特征在區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生期間明顯，且均通過了顯著性檢驗(yàn)，因此，位勢(shì)高度顯著異常區(qū)域可作為區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生兩槽一脊環(huán)流型關(guān)鍵區(qū)域的待選區(qū)。

為避免合成分析時(shí)由于某個(gè)個(gè)例極其異常從而導(dǎo)致合成的結(jié)果偏向于該個(gè)例的環(huán)流形勢(shì)，統(tǒng)計(jì)了區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生期間各個(gè)異常高、低值系統(tǒng)出現(xiàn)的空間地域概率，這樣的概率可在一定程度上反映異常系統(tǒng)的穩(wěn)定性(陳陽，2013)。從圖1b 中可以看出，14次兩槽一脊區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生期間，在貝加爾湖及以西出現(xiàn)高壓脊和在烏拉爾山地區(qū)出現(xiàn)低槽的概率都在80%左右，東亞深槽出現(xiàn)概率在60%以上。概率分析結(jié)果說明兩槽一脊區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流型配置并非由某單一異常個(gè)例造成，具有一定的普適性。因此，綜合圖1a 和圖1b 中顯著異常區(qū)域與異常高、低值系統(tǒng)出現(xiàn)的高概率區(qū)環(huán)流特征，劃定兩槽一脊環(huán)流型的正、負(fù)異常關(guān)鍵區(qū)，即圖1 中的矩形框，用正異常關(guān)鍵區(qū)位勢(shì)高度異常度平均值減去負(fù)異常關(guān)鍵區(qū)位勢(shì)高度異常度平均值，作為該環(huán)流型計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別的環(huán)流型量化指標(biāo)。進(jìn)一步分析該環(huán)流型所有歷史過程的環(huán)流型指標(biāo)值，確定達(dá)到環(huán)流型標(biāo)準(zhǔn)的臨界值，經(jīng)過回代分析得到該環(huán)流型的達(dá)標(biāo)臨界值為3。

圖1 湖南6月兩槽一脊型區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa位勢(shì)高度異常度場(chǎng)合成圖(a)和500 hPa異常高、低值系統(tǒng)概率分布圖(b)(a)黃色、藍(lán)色陰影區(qū)代表正、負(fù)異常度t-檢驗(yàn)通過α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)；(b)紅色為高值系統(tǒng)概率，藍(lán)色為低值系統(tǒng)概率，單位：%；紅色矩形框?yàn)樵摥h(huán)流型的位勢(shì)高度異常關(guān)鍵區(qū)Fig.1(a)Composite SA at 500 hPa and(b)abnormal high and low value systems probability graph at 500 hPa of the two troughs and one ridge-pattern of regional persistent torrential rain in Hunan in June.Yellow shadow(+SA)and blue shadow(-SA)indicates where it passed the α=0.05 significance t-test in Fig.1a.But in Fig.1b,red shadow indicates high value systems,blue shadow indicates low value systems,unit:%,and red rectangle indicates key areas.

2.2 區(qū)域持續(xù)性暴雨與兩脊一槽環(huán)流型

在兩脊一槽環(huán)流型區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生時(shí)，西太平洋副高加強(qiáng)西伸，自太平洋中部西伸至中南半島，穩(wěn)定少動(dòng)，中高緯呈現(xiàn)出明顯的雙阻塞高壓(或高壓脊)形勢(shì)。根據(jù)阻塞高壓(或高壓脊)位置的不同，該環(huán)流型可細(xì)分為鄂烏型(15 次)和貝烏型(6 次)兩類。圖2a、圖2b分別為鄂烏型和貝烏型區(qū)域持續(xù)性暴雨過程500 hPa位勢(shì)高度的異常度場(chǎng)合成圖?？梢姡鯙跣蛥^(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生時(shí)，阻塞高壓(或高壓脊)分別位于烏拉爾山地區(qū)和鄂霍次克海地區(qū)，貝加爾湖地區(qū)為一低槽，在東亞地區(qū)這種西低東高的環(huán)流配置下，貝加爾湖低槽引導(dǎo)西伯利亞冷空氣向長(zhǎng)江及以南地區(qū)輸送，與來源于西伸加強(qiáng)的副熱帶高壓西北側(cè)的暖濕空氣持續(xù)交綏于湖南地區(qū)，引發(fā)持續(xù)性暴雨。貝烏型區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生時(shí)，在烏拉爾山地區(qū)和貝加爾湖地區(qū)分別有一個(gè)阻塞高壓(或高壓脊)，巴爾喀什湖附近有低槽，巴爾喀什湖低槽東移南下引導(dǎo)地面冷空氣與副高西北側(cè)暖濕氣流相遇，有利于持續(xù)性暴雨過程的發(fā)生。綜合圖2a、b可知，兩脊一槽區(qū)域異常特征在區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生期間明顯，且均通過顯著性檢驗(yàn)，位勢(shì)高度顯著異常區(qū)域可作為區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生兩脊一槽環(huán)流型關(guān)鍵區(qū)域的待選區(qū)。

圖3a、b 給出了鄂烏型和貝烏型區(qū)域持續(xù)性暴雨異常高、低值系統(tǒng)概率分布圖。從圖上可以看出，鄂烏型中烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)阻塞高壓(或高壓脊)出現(xiàn)的概率均在80%左右，貝加爾湖低槽出現(xiàn)概率在70%以上；貝烏型中烏拉爾山和貝加爾湖區(qū)域的阻塞高壓(或高壓脊)出現(xiàn)的概率分別在80%和90%左右，巴爾喀什湖低槽出現(xiàn)概率在80%以上。因此，同樣根據(jù)圖2a 與圖3a、圖2b 與圖3b 中顯著異常區(qū)域與異常高、低值系統(tǒng)出現(xiàn)的高概率區(qū)環(huán)流特征，分別劃定鄂烏型和貝烏型區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流異常關(guān)鍵區(qū)(即圖2a、b 中矩形框區(qū)域)，確定鄂烏型和貝烏型環(huán)流型指標(biāo)的達(dá)標(biāo)臨界值分別為2和3。

圖2 湖南6月鄂烏型(a)和貝烏型(b)區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa位勢(shì)高度異常度場(chǎng)合成圖(黃、藍(lán)陰影區(qū)及紅色矩形框含義同圖1a)Fig.2 Composite SA at 500 hPa of(a)the Urals-Okhotsk-pattern and(b)the Baikal-Urals-pattern of regional persistent torrential rain in Hunan in June.Description same as Fig.1a.

圖3 湖南6月鄂烏型(a)和貝烏型(b)區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa異常高、低值系統(tǒng)概率分布圖(紅色為高值系統(tǒng)概率，藍(lán)色為低值系統(tǒng)概率，單位：%,紅色矩形框含義同圖1b)Fig.3 Abnormal high and low value systems probability graph at 500 hPa of(a)the Urals-Okhotsk-pattern and(b)the Baikal-Urals-pattern of regional persistent torrential rain in Hunan in June.Description same as Fig.1b.

2.3 區(qū)域持續(xù)性暴雨與其他類環(huán)流型

湖南6月區(qū)域持續(xù)性暴雨的中高緯環(huán)流形勢(shì)以兩槽一脊型和兩脊一槽型為主，占全部個(gè)例的81%，其他兩槽兩脊、緯向波動(dòng)和多渦旋環(huán)流型的持續(xù)暴雨個(gè)例很少，各環(huán)流型區(qū)域持續(xù)性暴雨僅出現(xiàn)2～3次。通過合成分析各環(huán)流型500 hPa位勢(shì)高度的異常度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)(圖略)，出現(xiàn)兩槽兩脊型區(qū)域持續(xù)性暴雨時(shí)，貝加爾湖西側(cè)和日本為顯著的正異常區(qū)，巴爾喀什湖北側(cè)為低槽，華北區(qū)域?yàn)樯畈?，槽底一直延伸至湖南；出現(xiàn)緯向波動(dòng)型區(qū)域持續(xù)性暴雨時(shí)，歐亞中高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，主要低槽位于巴爾喀什湖北側(cè)和華北，東北區(qū)域?yàn)轱@著的正異常區(qū)；出現(xiàn)多渦旋型區(qū)域持續(xù)性暴雨時(shí)，歐亞中高緯地區(qū)多渦旋發(fā)展，烏拉爾山以南和貝加爾湖以南的低渦緩慢發(fā)展東移，使華北深槽穩(wěn)定少動(dòng)，東北東側(cè)為顯著的正異常區(qū)。

參照上節(jié)方法，將顯著異常區(qū)域與高、低值系統(tǒng)出現(xiàn)的高概率區(qū)相結(jié)合，分別提取兩槽兩脊型、緯向波動(dòng)型、多渦旋型的環(huán)流異常關(guān)鍵區(qū)和達(dá)標(biāo)臨界值，結(jié)果見表1。

2.4 區(qū)域持續(xù)性暴雨環(huán)流型的判別

根據(jù)表1 中各環(huán)流型區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa 中高緯環(huán)流的關(guān)鍵區(qū)及指標(biāo)臨界值，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)判別。當(dāng)輸入某日500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)后，首先計(jì)算各環(huán)流型各關(guān)鍵區(qū)內(nèi)位勢(shì)高度異常度場(chǎng)的平均值，判斷是否符合某類環(huán)流型基本分布，即如果是兩槽一脊型的，那么各關(guān)鍵區(qū)應(yīng)符合“-+-”的基本分布，然后再計(jì)算各環(huán)流型的環(huán)流型指標(biāo)，對(duì)照環(huán)流型指標(biāo)臨界值的大小，當(dāng)某環(huán)流型指標(biāo)大于臨界值，則判別該中高緯環(huán)流型達(dá)標(biāo)。只要某日及第二天的位勢(shì)高度場(chǎng)都符合5 種環(huán)流型中的某一類，就認(rèn)為湖南具備發(fā)生區(qū)域持續(xù)性暴雨的環(huán)流形勢(shì)。當(dāng)然，中高緯環(huán)流型只是區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生的可能大背景，具體到湖南能否出現(xiàn)暴雨過程、能否持續(xù)以及過程什么時(shí)間發(fā)生，需要結(jié)合局地的動(dòng)力條件、水汽條件來進(jìn)一步判斷。

表1 湖南6月各環(huán)流型區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa中高緯環(huán)流關(guān)鍵區(qū)及指標(biāo)臨界值Table 1 Key areas and threshold at 500 hPa for various circulation types in Hunan in June.

3 區(qū)域動(dòng)力條件判別指標(biāo)

周慧等(2013)在分析湖南大暴雨過程的天氣特征時(shí)發(fā)現(xiàn)，西風(fēng)帶低槽配合低渦切變、鋒面的降水是湖南初夏主要大暴雨天氣型，(100°—115°E，25°—35°M)為高空槽的關(guān)鍵影響區(qū)，此類暴雨過程多為持續(xù)性大暴雨過程。低槽為降水提供了動(dòng)力上升條件，西風(fēng)槽越深，動(dòng)力上升條件越強(qiáng)。從第二節(jié)各類環(huán)流型區(qū)域持續(xù)暴雨過程看，基本有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在湖南區(qū)域(107°—115°E，25—32°M)為顯著的位勢(shì)高度負(fù)異常(圖4)，正位于發(fā)生大暴雨的低槽關(guān)鍵影響區(qū)內(nèi)。因此，可將此區(qū)域作為湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨預(yù)報(bào)的關(guān)鍵區(qū)。

圖4 湖南6月區(qū)域持續(xù)性暴雨500 hPa位勢(shì)高度異常度場(chǎng)合成圖(黃、藍(lán)陰影區(qū)及紅色矩形框含義同圖1)Fig.4 Composite SA at 500 hPa of regional persistent torrential rain in Hunan in June.Descriptions same as in Fig.1.

通過歷史個(gè)例回代檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，43 次過程中，有8次過程不滿足關(guān)鍵區(qū)為負(fù)異常這一條件，若只用該條件進(jìn)行判別，將會(huì)產(chǎn)生18.6%的漏報(bào)率。進(jìn)一步分析上述不滿足判別條件的8 次過程發(fā)現(xiàn)，這8 次過程中，湖南實(shí)際上也處于相對(duì)槽區(qū)或槽前。例如：1990年6月14—15日持續(xù)性暴雨過程，西太平洋副熱帶高壓較強(qiáng)，588 dagpm 等值線覆蓋了華南大部，湖南上空500 hPa 位勢(shì)高度值比氣候平均值偏高，但湖南處于槽前和副高邊緣的不穩(wěn)定上升區(qū)(圖5a)。 1998年6月13—14日持續(xù)性暴雨過程，同樣是湖南上空500 hPa位勢(shì)高度值高于氣候平均值，副高明顯偏強(qiáng)偏西，588 dagpm 等值線覆蓋華南及中南半島，但同時(shí)東亞西風(fēng)槽也較強(qiáng)，湖南處于西風(fēng)槽底(圖5b)。由此可見，在西太平洋副熱帶高壓較強(qiáng)、湖南區(qū)域500 hPa 位勢(shì)高度為正異常情況下，當(dāng)湖南處于槽前或槽底時(shí)，仍然可能產(chǎn)生暴雨過程。因此，為減少漏報(bào)現(xiàn)象，有必要增加考慮這種情形的暴雨過程。根據(jù)以上分析結(jié)果，將湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨的動(dòng)力條件判別指標(biāo)設(shè)計(jì)為：當(dāng)湖南區(qū)域(107°—115°E，25°—32°M)500 hPa 位勢(shì)高度異常度平均值為負(fù)值或者副高影響關(guān)鍵區(qū)(110°—120°E，20°—23°M) 500 hPa 位勢(shì)高度的最大值≥588 dagpm并持續(xù)2 d或以上，則認(rèn)為滿足湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨的動(dòng)力條件。普查43 次歷史過程發(fā)現(xiàn)，所有過程均滿足條件。

4 水汽輸送條件判別指標(biāo)

水汽輸送通常用水汽通量與水汽通量散度進(jìn)行定量表征。一般從水汽通量的數(shù)值和方向，只能了解暴雨過程的水汽來源，以及這種水汽輸送和某些天氣系統(tǒng)的關(guān)系，至于水汽在何處匯集，暴雨究竟出現(xiàn)在何處，雨量有多大等，則與水汽通量散度的關(guān)系更為密切。國外很多氣象學(xué)家(Ducrocq et al.，1998；Calas et al.，2000)將水汽通量散度作為強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)因子，周慧等(2000)在研究湖南大暴雨過程觸發(fā)條件時(shí)亦發(fā)現(xiàn)，大氣低層的水汽通量散度是形成湖南大暴雨的重要條件之一。因此，這里選用850 hPa 或925 hPa的水汽通量散度作為湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨的水汽輸送條件判別指標(biāo)。

對(duì)6月份43個(gè)區(qū)域持續(xù)性暴雨個(gè)例共105個(gè)暴雨日850 hPa和925 hPa水汽通量散度分別進(jìn)行合成分析(圖6a、圖6b)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，湖南范圍(110°—115°E，25°—30°M)為明顯的水汽輻合上升區(qū)，特別是925 hPa 層特征最為明顯。根據(jù)計(jì)算出的43個(gè)歷史個(gè)例湖南范圍水汽通量散度的平均值和最小值，將湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨的水汽條件判別指標(biāo)設(shè)計(jì)為：當(dāng)湖南范圍(110°—115°E，25°—30°M)850 hPa或925 hPa水汽通量散度平均值為負(fù)值且最小值≤-0.3×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，并持續(xù)2 d或以上，則認(rèn)為滿足湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨的水汽條件。普查43 次歷史個(gè)例，42 次個(gè)例滿足條件。

圖5 1990年6月14日(a)和1998年6月13日(b)500 hPa位勢(shì)高度(等值線，單位：dagpm)與異常度(色斑)圖Fig.5 SA(shaded)and geopotential height(contour,unit:dagpm)at 500 hPa on(a)14 June 1990 and(b)13 June 1998.

圖6 湖南6月區(qū)域持續(xù)性暴雨個(gè)例850 hPa(a)和925 hPa(b)水汽通量散度合成圖(單位：10-5g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.6 Composite water vapor flux divergence at(a)850 hPa and(b)925 hPa of regional persistent torrential rain in Hunan in June(unit:10-5g·cm-2·hPa-1·s-1).

5 概念模型及歷史過程回報(bào)、試報(bào)檢驗(yàn)

綜合以上分析，得到湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨的預(yù)報(bào)思路：首先判斷500 hPa歐亞中高緯度環(huán)流型，當(dāng)某一環(huán)流型達(dá)標(biāo)且持續(xù)2 天或以上，則進(jìn)入下一步判斷；然后，在環(huán)流型達(dá)標(biāo)期間，根據(jù)湖南區(qū)域(107°—115°E，25°—32°M)500 hPa 位勢(shì)高度異常度平均值或者副高影響關(guān)鍵區(qū)位勢(shì)高度最大值判斷動(dòng)力條件是否達(dá)標(biāo)，當(dāng)動(dòng)力條件達(dá)標(biāo)且持續(xù)2 d 或以上，則進(jìn)入第三步判斷；最后，在第二步達(dá)標(biāo)的時(shí)段內(nèi)，根據(jù)湖南范圍(110°—115°E，25°—30°M) 850 hPa 或925 hPa 水汽通量散度平均值和最小值判斷水汽輸送條件是否達(dá)標(biāo)，若水汽條件達(dá)標(biāo)持續(xù)2 d 或以上，則認(rèn)為湖南有區(qū)域持續(xù)性暴雨過程發(fā)生。將上述湖南區(qū)域持續(xù)性暴雨概念模型應(yīng)用于1961—2016年43 次湖南持續(xù)性暴雨過程回代檢驗(yàn)，有35 次符合，回報(bào)準(zhǔn)確率為81%，有8 次不符合，其中7 次為環(huán)流型不達(dá)標(biāo)，1 次為水汽條件不滿足。

同時(shí)，對(duì)2017 和2018年湖南6月區(qū)域持續(xù)性暴雨進(jìn)行了試報(bào)檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅2017年6月出現(xiàn)了3 次區(qū)域持續(xù)性暴雨過程(6月5—6日，6月23—25日，6月30日—7月1日)，預(yù)報(bào)概念模型除6月5—6日的區(qū)域持續(xù)暴雨過程出現(xiàn)漏報(bào)外，其他2 次區(qū)域持續(xù)暴雨過程預(yù)報(bào)正確，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為2/3。2017年6月5—6日的區(qū)域持續(xù)暴雨過程出現(xiàn)漏報(bào)，分析其原因發(fā)現(xiàn)，6月5—6日的這次區(qū)域持續(xù)性過程屬于兩槽兩脊環(huán)流型(圖7)，兩槽兩脊的位置相對(duì)于預(yù)報(bào)概念模型中劃定的環(huán)流關(guān)鍵區(qū)整體偏西，因槽(脊)位置的偏離造成了環(huán)流型客觀識(shí)別不準(zhǔn)確導(dǎo)致過程漏報(bào)。

圖7 2017年6月5日500 hPa位勢(shì)高度(等值線，單位：dagpm)與異常度(色斑)圖(紅色矩形框?yàn)殛P(guān)鍵區(qū))Fig.7 SA(shaded)and geopotential height(contour,unit:dagpm)at 500 hPa on 5 June 2017.Red rectangle indicates key areas.

6 結(jié)論與討論

本研究從歐亞中高緯度環(huán)流型、區(qū)域動(dòng)力上升條件和水汽輸送條件三方面考慮，通過合成分析，依次給出了湖南6月發(fā)生區(qū)域持續(xù)性暴雨的強(qiáng)信號(hào)及出現(xiàn)的關(guān)鍵區(qū)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行客觀量化表征，設(shè)立了三層判別條件，建立了湖南6月區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生的定量化概念模型。結(jié)論如下：

(1)43次歷史區(qū)域持續(xù)性暴雨過程的回報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到81%，2017—2018年3 次區(qū)域持續(xù)暴雨過程試報(bào)準(zhǔn)確率為2/3，說明該概念模型有一定的預(yù)報(bào)能力，能為湖南暴雨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)服務(wù)提供技術(shù)支持，也能滿足現(xiàn)代天氣業(yè)務(wù)自動(dòng)化需求。

(2)將該概念模型與各類模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品相結(jié)合，還可開展區(qū)域持續(xù)性暴雨的中期和延伸期預(yù)報(bào)。

概念模型回代中環(huán)流型出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)次數(shù)較多，可能主要原因是利用水平分辨率為2.5°×2.5°的格點(diǎn)資料來建模的，由于格點(diǎn)比較稀疏，在計(jì)算關(guān)鍵區(qū)域的平均值時(shí)，因?yàn)槭亲鏊阈g(shù)平均，關(guān)鍵區(qū)域邊界上的格點(diǎn)值對(duì)平均值影響較大，特別是中心區(qū)域與邊界的格點(diǎn)值異號(hào)時(shí)，計(jì)算的平均值會(huì)出現(xiàn)較大誤差，可能造成正值關(guān)鍵區(qū)變?yōu)樨?fù)值關(guān)鍵區(qū)或者負(fù)值關(guān)鍵區(qū)變?yōu)檎店P(guān)鍵區(qū)，造成環(huán)流型識(shí)別不準(zhǔn)確。此外，因?yàn)橛绊懴到y(tǒng)的移動(dòng)性，同類環(huán)流型的不同個(gè)例的影響系統(tǒng)的位置有一定偏差，如兩槽一脊型的環(huán)流型，有的個(gè)例的脊在貝加爾湖的東側(cè)，有的在西側(cè)，有的個(gè)例脊比較窄，有的寬廣一些，固定的關(guān)鍵區(qū)劃分可能造成一些個(gè)例的影響系統(tǒng)偏離了關(guān)鍵區(qū)，導(dǎo)致環(huán)流型客觀識(shí)別不準(zhǔn)確。因此，可通過使用更高水平分辨率的再分析資料來建模以及劃定動(dòng)態(tài)關(guān)鍵區(qū)的方法來提高環(huán)流型的識(shí)別能力，這些工作還有待進(jìn)一步深入探索。

產(chǎn)生區(qū)域持續(xù)性暴雨的原因復(fù)雜，影響因子眾多，為了便于實(shí)現(xiàn)區(qū)域持續(xù)性暴雨的客觀預(yù)報(bào)，本研究著重從持續(xù)性的角度探討了與區(qū)域持續(xù)性暴雨發(fā)生關(guān)系比較緊密的少數(shù)幾個(gè)主要因子，還不全面，存在許多不足，建立的預(yù)報(bào)概念模型還需在今后的實(shí)際應(yīng)用中不斷檢驗(yàn)和完善。